0 引 言
水資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要，墑情設(shè)計土壤水分含量是遠程影響農(nóng) 作物生長過程的重要物理參數(shù) [1]。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)?現(xiàn)對土壤墑情（土壤濕度）長時間的連續(xù)監(jiān)測，通過對溫度、 濕度數(shù)據(jù)的大量采集與處理，繪制出相應的曲線，有利于詳 細分析土壤情況，對解決與土地相關(guān)行業(yè)出現(xiàn)的諸多問題有 著積極的作用 [2] 。
盡管我國各級相關(guān)土地部門在土地信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建 方面取得了較大進步，但是問題依然存在 [3]。例如，我國墑情 監(jiān)測工作相對薄弱，土壤水分信息采集手段比較落后，系統(tǒng)各 方面建設(shè)的標準不統(tǒng)一，建設(shè)的內(nèi)容不規(guī)范，取得的建設(shè)成 果千差萬別，這些都不利于管理和運維墑情信息系統(tǒng)的工作 [4]。 本文設(shè)計了土壤墑情管理系統(tǒng)，用以取代傳統(tǒng)的人工采集、處 理土壤信息方法，實現(xiàn)對土地情況高效、便利的檢測，實行 遠程實時監(jiān)控，為作物的最佳灌溉時間提供參考。
1 土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的土壤水分測量系統(tǒng)包括主站數(shù)據(jù)采集和從站 數(shù)據(jù)測量兩部分，如圖 1 所示。每個從站傳感器包含數(shù)字溫 度傳感器和土壤水分傳感器，分別用來采集土壤的溫度和水分 信息，并將采集到的數(shù)據(jù)通過 SI4432 傳輸給主站采集器，由 主站通過 GPRS 統(tǒng)一將信息發(fā)送至遠程服務(wù)器。
2 監(jiān)測系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊
2.1 主從站無線通信模塊
主站與從站之間采用無線射頻模塊 SI4432 進行數(shù)據(jù)傳 輸。其中 SI4432 是高度集成的單芯片無線 ISM 收發(fā)器件。 EZRadioPRO 系列包括發(fā)射機、接收機和射頻收發(fā)器，設(shè)計 工程師可以選擇利用其中的無線部分。SI4432 的高度集成可 以降低 BOM，同時簡化整體設(shè)計。極低的接收靈敏度，加上 工業(yè)界領(lǐng)先的 +20 dBm 輸出功率，內(nèi)置天線多樣化和支持跳 頻 [5]，保證了傳輸范圍和穿透能力。
主站傳感器具有數(shù)據(jù)采集器的功能，每個主站與多個從 站進行通信，主從站之間通過 SI4432 無線收發(fā)模塊的廣播通 信協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。主站不斷廣播，廣播的信息結(jié)構(gòu)為從 站地址及對應的配置信息，如 AY3600，其中第 1 個字節(jié) A 表示從站編號，第 2 個字節(jié) Y 表明是否更改測量周期，Y 表 示更改，N 表示不更改 ；數(shù)據(jù) 3 600（s）表示更改后的測量周 期。主站廣播流程如圖 2 所示。
從站傳感器數(shù)據(jù)測量完畢后等待主站廣播，收到廣播本 站地址后立即反饋信息給主站，兩者建立通信，接收主站發(fā)送 的配置信息并解析，之后發(fā)送測量數(shù)據(jù)給主站，直至收到主站 確認數(shù)據(jù)正確接收的信息后，結(jié)束與主站的通信，從站進入待 機模式，等待下一次喚醒測量。從站應答流程如圖 3 所示。
2.2 基于 SIM900 的 GPRS無線通信
主站采集器對各從站發(fā)來的測量數(shù)據(jù)進行處理后，通 過 GPRS 無線傳輸將信息上傳至遠程服務(wù)器，同時上位機也 將參數(shù)修改信息返回到主站。本設(shè)計采用的無線傳輸模塊為SIM900A。SIM900A 是 SIMCOM 公司研發(fā)的工 業(yè)級 雙 頻 GSM/GPRS 模塊，工作頻段為雙頻 900/1 800 MHz，可以低 功耗實現(xiàn)語音，SMS（短信，不支持彩信），數(shù)據(jù)和傳真信息 的傳輸 [6]。GPRS 有許多優(yōu)勢，包括資源利用率高、傳輸速率 高、接入時間短、支持 IP 協(xié)議和 X.25 協(xié)議等 [7]。
主站通過 GPRS 傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的信息主要有三種，分別 是獲取參數(shù)修改信息請求、土壤墑情信息、傳感器地理位置 信息。為了便于區(qū)分，這三種信息請求分別有各自的標識。獲 取參數(shù)修改信息請求的標識是“44”，土壤墑情信息的標識是 “33”，采集器地理位置信息的標識是“22”。通過識別這三種 信息的標識來判斷其區(qū)別，進而服務(wù)器對其分別進行處理，具 體流程如圖 4 所示。
3 土壤墑情信息管理模塊
土壤墑情信息管理系統(tǒng)主要是面對用戶需求的上位機操 作系統(tǒng)，用來滿足用戶多方面的需求 [8]。用 HTML 編寫動態(tài) Web 網(wǎng)頁界面，并在 HTML 中嵌入 PHP 語言編寫的后臺運行 代碼，操作云端 MySQL 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息，并借助一些組件 來完成數(shù)據(jù)的處理操作 [9]。概括來說，整個系統(tǒng)的設(shè)計主要 分為三個方面，即前臺網(wǎng)頁界面、后臺數(shù)據(jù)信息識別與處理及 MySQL 數(shù)據(jù)庫。
土壤墑情信息管理系統(tǒng)的初始界面應當簡潔、明了，通 過超鏈接的方式打開該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示以及參數(shù)修改界面， 如圖 5 所示。
參數(shù)設(shè)置界面主要用于輸入修改的參數(shù)，并將這些參數(shù) 通過后臺代碼傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫并存儲。參數(shù)修改界面如圖6所示。
數(shù)據(jù)的顯示功能實現(xiàn)流程如圖 7 所示。
歷史數(shù)據(jù)顯示界面的傳感器位置信息等都可以實時顯示。 通過點擊歷史數(shù)據(jù)顯示界面的“實時數(shù)據(jù)顯示”，就可以運用超鏈接跳轉(zhuǎn)到實時數(shù)據(jù)顯示界面，該界面的主要樣式如圖 8 所示。
在歷史數(shù)據(jù)顯示界面中選取所需數(shù)據(jù)的傳感器編號后， 能夠自動實時顯示所選取傳感器設(shè)備檢測到的最新數(shù)據(jù)信息， 并且可以以折線圖的形式顯示不同節(jié)點數(shù)據(jù)的變化趨勢。包括 歷史數(shù)據(jù)顯示界面的地理位置信息，通過設(shè)置 500 ms/ 次的 掃描，確保數(shù)據(jù)的快速動態(tài)更新。為了動態(tài)地獲取 PHP 后臺 程序返回的數(shù)組信息，HTML 網(wǎng)頁程序需要調(diào)用 JavaScript 中 的 $.ajax 方法。
4 結(jié) 語
本文將從站傳感器與主站采集器相結(jié)合，利用無線射頻 模塊 SI4432 進行通信，采用信息應答方式確保兩者之間信息 的正確傳輸。主站采集器利用 GPRS 無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā) 送至遠程服務(wù)器，為實現(xiàn)遠程監(jiān)控帶來極大便利。上位機的 墑情信息管理系統(tǒng)以 MySQL 數(shù)據(jù)庫為核心，通過 PHP 后臺 程序與數(shù)據(jù)檢測端進行信息交互，將土壤水分傳感器檢測到 的信息數(shù)據(jù)存儲到 MySQL 數(shù)據(jù)庫，并將傳感器的參數(shù)設(shè)置 信息發(fā)送到下位機。同時通過 HTML 構(gòu)建 Web 動態(tài)網(wǎng)頁即上 位機界面，利用嵌入的 PHP 后臺程序完成數(shù)據(jù)信息的處理， 實現(xiàn) Web 網(wǎng)頁與 MySQL 數(shù)據(jù)庫的信息交互，完成滿足用戶 需求的數(shù)據(jù)顯示工作。
